激光定向凝固參數(shù)對熔覆層宏觀形貌以及微觀組織的影響

喻 輝，胡芳友，崔愛永

(海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)，山東 青島 266041)

隨著定向凝固和單晶高溫合金在航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片上的大量使用，葉片損壞后，采用傳統(tǒng)的焊接修補(bǔ)技術(shù)，修復(fù)效果不佳，而采用激光定向凝固技術(shù)可以很好地解決這一難題。激光定向凝固技術(shù)是利用激光超高溫度梯度和凝固速度使熔池內(nèi)的組織定向生長，生長方向與基材擇偶取向一致，從而實現(xiàn)對葉片的修補(bǔ)[1]。國內(nèi)外定向凝固技術(shù)也早已取得成果，David W. Candy等[2]通過對熱輸入量的控制，實現(xiàn)了在IN-738上逐層沉積IN-939，中國科學(xué)院金屬研究所黃慶南等[3]對渦輪葉冠工作面磨損失效進(jìn)行了激光表面修復(fù)；但激光參數(shù)對熔覆層宏觀形貌以及微觀組織的影響鮮有研究。本文主要研究在不同激光參數(shù)下熔覆層宏觀形貌以及微觀組織的變化。

1 試驗方法

基體材料選用DZ22，合金粉末采用自配粉末，基材化學(xué)成分見表1，合金粉末化學(xué)成分見表2。采用預(yù)置壓片送粉方式，激光熔覆研究所使用的設(shè)備是自主研制的LER—3型Nd:YAG激光在線搶修機(jī)以及日本生產(chǎn)的ERCR—HP3—AA00型機(jī)械臂。

表1 DZ22合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

表2 熔覆粉末合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

激光參數(shù)主要包括電流I(A)、脈寬S(ms)、掃描速度V(mm/s)和頻率f(Hz)。初步確定試驗參數(shù)范圍為：電流100～130 A；脈寬5～8 ms；掃描速度2～8 mm/s；頻率數(shù)值應(yīng)控制在掃描速度數(shù)值的1.5～2.5倍，然后進(jìn)行正交試驗設(shè)計。本試驗將頻率數(shù)值確定為掃描速度數(shù)值的2.5倍，為三因素四水平試驗，其中因素A表示電流，因素B表示脈寬，因素C表示掃描速度，具體數(shù)值見表3。

表3 試驗參數(shù)與水平

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)正交試驗表行、列數(shù)要求，補(bǔ)充2列空列作為誤差列，可得本文的正交試驗表[4]。正交試驗結(jié)果見表4。其中，W、H、D分別表示熔池的寬度、深度以及高度，這些宏觀參數(shù)數(shù)值均在體式顯微鏡下測得；W/D、D/(H+D)[5]分別為寬深比與稀釋度，是反映熔覆層宏觀質(zhì)量的重要參數(shù)。利用線切割沿與掃描速度垂直方向切取試樣，得到熔覆層橫截面，再對試樣進(jìn)行鑲嵌、研磨和拋光后腐蝕，腐蝕液成分為5 g CuSO4+25 mL H2O+25 mL HCl，利用KH—7700三維體式顯微鏡和ULTRA 55場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對試樣組織和成分進(jìn)行分析。

表4 正交試驗方案及相應(yīng)結(jié)果

2 試驗結(jié)果

2.1 激光參數(shù)對熔覆層宏觀形貌影響規(guī)律

對表4中的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析[6]，分析結(jié)果如圖1所示。圖1a～圖1e分別表示各激光參數(shù)對熔寬、熔高、熔深、深寬比以及稀釋度的影響規(guī)律，橫坐標(biāo)表示各因素不同水平，縱坐標(biāo)表示各水平下的偏差平方。

圖1 各參數(shù)對熔覆層宏觀形貌的影響規(guī)律

圖1a中，熔寬先隨電流的增加而增大，達(dá)到最大后隨電流的增加熔寬開始減??；熔寬隨脈寬的增加而增大，大約呈線性變化；熔寬隨掃描速度的增加也是不斷增大，在低速和高速下的增長速率都明顯比位于中間掃描速度區(qū)間的增長速率大。

圖1b中，熔高隨著電流的增加是先減小后增大，增加的幅度也呈增加趨勢，所以在其他條件允許的情況下，大電流有利于增加熔高；熔高隨脈寬的加大開始也是呈增加趨勢，但隨著脈寬的進(jìn)一步增加，熔高不會再增加反而有減小的趨勢，可能是因為在合金粉末厚度一定的情況下，大脈寬使熔寬不斷增加，而使熔覆層在高度方面受到限制，不再隨脈寬的增加而增加；熔高隨掃描速度的增加呈減小趨勢，所以高掃描速度不利于熔高的增加。

圖1c中，熔深隨電流的增加而增大，因為電流的增加使激光功率加大，熔池的能量也就越高，對基材的重熔也就越多，一般情況下，好的熔覆層熔深不宜過高，所以設(shè)計激光參數(shù)時電流不應(yīng)過大；熔深開始隨脈寬的增加變化不大，隨著脈寬繼續(xù)增加，熔深突然增大，增大到一定程度后熔深開始緩慢減小，所以在基本滿足好的熔覆層質(zhì)量的激光參數(shù)范圍前提下，建議使用小脈寬；熔深隨掃描速度的增加而增大，所以掃描速度也不應(yīng)選擇過高。

圖1d中，寬深比隨電流的增大呈減小趨勢，主要是由熔深隨電流增加導(dǎo)致的；寬深比隨脈寬的增加是先增大后減小，說明開始熔寬隨脈寬增加的幅度沒有熔深隨脈寬增加的幅度大，而后熔深隨脈寬減小，寬深比開始隨脈寬的增加而增大；寬深比隨掃描速度的增加而減小，隨著掃描速度的增加，寬深比減小的速率開始有所降低。

圖1e中，稀釋度隨電流的增加先增大后減小，而且曲線增大的趨勢比減小的趨勢大；稀釋度隨脈寬的增加是先減小后增大，然后再減小，可能是由于脈寬影響作用不顯著，所以脈寬對稀釋度的影響趨勢不可信；稀釋度隨掃描速度的增加而增大，所以激光參數(shù)中掃描速度不應(yīng)過高。

根據(jù)上述分析結(jié)果，可以大致確定最佳激光工藝參數(shù)是110 A、6 ms、4 mm/s和10 Hz。

2.2 激光參數(shù)對微觀組織的影響

不同電流下的熔覆層SEM圖如圖2所示。從圖2中可以看到，當(dāng)電流為100 A時，熔覆層中上部柱狀晶方向性不明顯，相鄰枝晶間有角度，枝晶生長方向有偏移，并且枝晶生長連續(xù)性不好；當(dāng)電流為110 A時，枝晶生長方向性開始明顯，也有少量二次枝晶生長出，一次枝晶間距比底部大，枝晶干也變粗，這與W. Kurz等[7]得出的公式相符，熔覆層中部溫度梯度比底層低，凝固速率比底層大，所以一次枝晶間距會變大；當(dāng)電流為120 A時，一次枝晶干變粗，間距也持續(xù)變大，二次枝晶變多，也可以看到頂部柱狀晶逐漸變?yōu)榈容S晶；當(dāng)電流為130 A時，柱狀晶生長明顯，一次枝晶干開始變細(xì)，二次臂生長加劇整齊排列在一次枝晶干兩側(cè)；當(dāng)電流為140 A時，一次枝晶間距繼續(xù)變大，二次枝晶生長繼續(xù)增多，并且二次枝晶不斷長大；當(dāng)電流為150 A時，可以看到熔覆層上層的柱狀晶逐漸消失，轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小等軸晶，等軸晶排列整齊有序，隨著熔覆層高度繼續(xù)上升，等軸晶開始變得雜亂無章，形成雜晶。

圖2 不同電流下的熔覆層SEM圖

不同激光脈寬下熔覆層SEM圖如圖3所示。從圖3中可以看到，在低脈寬下(見圖3a～圖3d)，柱狀晶生長明顯，隨著脈寬的增大，二次枝晶開始增多，一次枝晶干略微變細(xì)；在高脈寬下(見圖3e和圖3f)柱狀晶和等軸晶共存，二次枝晶生長明顯增多，柱狀晶逐漸變?yōu)榈容S晶。脈寬對熔覆層組織影響規(guī)律與電流類似，都是通過控制熔池?zé)彷斎肓康姆绞絹碛绊懭鄢貎?nèi)各部位的溫度梯度和凝固速度，進(jìn)而控制柱狀晶到等軸晶的轉(zhuǎn)變，所以在選取的激光參數(shù)范圍內(nèi)，小電流和低脈寬有利于增多熔覆層的柱狀晶組織，并且二次枝晶的生長受到抑制。

圖3 不同脈寬下的熔覆層SEM圖

不同掃描速度下的SEM圖如圖4所示。從圖4中可以看到，低掃描速度下的熔覆層柱狀晶區(qū)域比高掃描速度下的熔覆層柱狀晶區(qū)域大，當(dāng)其他參數(shù)一定時，掃描速度越高，越不利于柱狀晶組織的形成。從圖4中還可以看出，隨著掃描速度的變大，枝晶生長方向性越差，掃描速度方向的橫向溫度梯度作用越來越顯著，枝晶沿?fù)駜?yōu)取向生長受到影響。

圖4 不同掃描速度下的熔覆層SEM圖

北京工業(yè)大學(xué)的張冬云等[8]在研究工藝參數(shù)對激光定向凝固組織的影響時發(fā)現(xiàn)，激光功率和一次枝晶尺度呈正相關(guān)，掃描速度和一次枝晶尺度呈負(fù)相關(guān)，本試驗結(jié)果也比較吻合。另外，隨著掃描速度的增加，轉(zhuǎn)向枝晶區(qū)的高度有所降低，在高掃描速度下很難看到貫穿熔覆層底部到頂層的柱狀晶組織。

3 結(jié)語

通過上述研究，可以得出如下結(jié)論。

1)根據(jù)正交試驗結(jié)果，可以確定最佳激光參數(shù)約為110 A、6 ms、4 mm/s和10 Hz。

2)電流和脈寬與一次枝晶間距和轉(zhuǎn)向枝晶區(qū)高度成正比，掃描速度與一次枝晶間距和轉(zhuǎn)向枝晶區(qū)成反比；電流和脈寬的增加使溶池中的熱輸入量增大，熱量容易累積，溫度梯度降低，所以一次枝晶間距變大，二次枝晶增多并長大，上層等軸晶區(qū)域也變多，而掃描速度變大會減少熔池的熱輸入量，與掃描方向平行的橫向溫度梯度增大，不利于柱狀晶的生長。

3)結(jié)合宏觀形貌和微觀組織可以發(fā)現(xiàn)，深寬比大的熔覆層柱狀晶區(qū)域占比大。

[1] Gaumann M, Henry S, Cleton F, et al. Epitaxial laser metal forming analysis of microstructure formation[J]. Materials Science and Engineering, 1999, A271:232-241.

[2] Gandy D W, Frederick G J, Peterson A J, et al. Development of a laser based/high strength weld filler process to extend repair limits on IN-738 gas turbine blades[C]//Fourth International EPRJ Conference. 2000.

[3] 黃慶南, 萬明學(xué), 申秀麗, 等. 渦輪葉片鋸齒冠激光熔覆的應(yīng)用研究[J]. 燃?xì)鉁u輪試驗與研究, 2002(2):50-53.

[4] 吳翊, 李永樂, 胡慶軍, 等. 應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計[M]. 長沙：國防科技大學(xué)出版社, 1995.

[5] 張慶茂, 劉喜明, 關(guān)振中, 等. 寬帶激光熔覆粉末有效利用系數(shù)的分析[J]. 應(yīng)用激光, 2000, 20(5):209-212.

[6] 鄭少華, 姜奉華. 試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理[M]. 北京：中國建材工業(yè)出版社，2004.

[7] Kurz W, Fisher D J. Dendrite growth at the limit of stability tip radius and spacing[J]. Acta Metall., 1981, 29:11-20.

[8] 張冬云, 李志波, 趙恒, 等. 工藝參數(shù)對Rene80激光定向凝固組的影響研究[J]. 應(yīng)用激光, 2013, 33(2):113-118.